西安交大吴朝新Joule: 共轭有机分子自修复效应实现高效稳定FASnI3基钙钛矿太阳能电池

引言

近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料由于其易合成、低成本、高吸收系数、载流子扩散距离长等优势，在光伏领域掀起研究热潮，成为炙手可热的“明星材料”。近期，基于铅(Pb)卤化物钙钛矿材料的太阳能电池器件取得了巨大的进步, 最新能量转化效率屡创新高，官方认证的单节器件效率已高达25.2%。然而，重金属Pb的毒性问题是这一材料在商业化道路上需要解决的问题。近年来，基于锡（Sn）的太阳能电池器件得到了广泛的研究，并取得了令人鼓舞的进展。例如，通过在甲脒锡碘（FASnI₃）钙钛矿薄膜中引入大体积胺 (如，苯乙胺[PEA]和正丁胺[BA])，能够有效提高FASnI₃太阳能电池的光伏性能。然而，这些大体积胺的绝缘特性质限制了薄膜的电荷提取效率，进而阻碍了器件高效率的获得。因此，寻找一种提高薄膜电荷提取效率的方法对于更高效器件的实现意义重大。

研究内容

西安交通大学电信学院吴朝新教授团队设计了一种具有共轭结构的有机大分子，3-苯基-丙烯-1-胺(PPA)，用于解决上述FASnI₃钙钛矿太阳能电池存在的问题，促进薄膜中的电荷提取能力。研究发现，PPA的存在可以使FASnI₃薄膜的晶粒尺寸增大，使晶粒钝化，并诱导膜的取向。此外，由于PPA大的空间位阻，能够实现对FASnI₃薄膜光伏特性的自修复。基于经PPA修饰的FASnI₃膜制备的反式钙钛矿太阳能电池器件，其能量转化效率高达9.61%，是目前报道的Sn基钙钛矿太阳能电池器件的最高值。最重要的是，我们首次制备了大面积Sn基钙钛矿太阳能电池器件(1 cm²)，并实现了7.08%的能量转化效率。这项研究工作提出了一种实现Sn基钙钛矿薄膜高稳定性和强电荷提取能力的有效策略，揭示了高效率Sn基钙钛矿太阳能电池提的巨大潜力。

该项研究工作以题目为“Conjugated Organic Cations Enable Efficient Self-Healing FASnI3 Solar Cells”发表于国际顶级期刊Cell旗下能源领域子刊Joule（IF = 20）上（论文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30426-X）。该论文第一作者为课题组青年教师冉晨鑫博士，吴朝新教授作为领衔通讯作者(Lead Contact Author)，西安交通大学为第一作者单位。参与此项工作的还有美国西北大学资深讲席教授Mercouri G. Kanatzidis教授，中国科学院上海应用物理研究所高兴宇研究员。

该工作得到国家自然基金委重点项目（编号61935016）、面上课题（编号11574248），科技部国家重点研发专项（编号2016YFB0400702）的支持。

西安交通大学吴朝新教授团队长期研究新型功能材料的“光-电”与“电-光”物理机制及其器件应用如太阳能电池与发光二极管，近期有多项重要成果发表于国际顶级期刊：Joule，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, AngewandteChemie International Edition, ACS Energy Letter, Nano Energy等，更多研究内容可参见吴朝新教授主页：http://zhaoxinwu.gr.xjtu.edu.cn

图文导读

图一. PPA掺杂FASnI₃材料的结构及薄膜表征

(A) FA和PPA的分子结构式。(B) PPA掺杂FASnI₃材料的结构示意图。(C-H) 不同PPA掺杂量下FASnI₃薄膜的SEM图。(I) 不同PPA掺杂量下FASnI₃薄膜的粒径分布图。(J) 掺杂和未掺杂15% PPAI的FASnI₃薄膜在100℃下退火不同温度的照片。

图二. PPA掺杂前后FASnI₃薄膜取向性表征

(A) 0% PPAI和(B) 15% PPAI薄膜的掠入射X射线衍射图。(C) 不同薄膜中(100)衍射环在不同Azimuth角度下的积分强度对比图。(D) 不同PPA掺杂量下FASnI₃薄膜的XRD图。(E) 未掺杂和(F)掺杂PPA的FASnI₃薄膜的成膜过程示意图。

图三. 太阳能电池器件性能表征

(A) 太阳能电池器件的断面SEM图。(B) 15% PPAI薄膜在不同浓度下的电流-电压曲线图。优化的基于15% PPAI的太阳能电池器件的(C)不同扫描方向的电流-电压曲线和(D)外量子效率曲线。(E) 持续光照条件下，掺杂与未掺杂PPA的器件的最大功率输出稳定性曲线。(F) 采用不同有机大分子掺杂的FASnI₃钙钛矿薄膜的太阳能电池器件效率分布图，其中统计基于18个独立电池器件。 

图四. PPA掺杂FASnI₃薄膜的载流子特性表征

(A) 基于15% PPAI和15% PEAI太阳能电池器件的电流-电压曲线图。(B) PPA和PEA分子的分子结构和电子能量轨道分布模拟结果。(C) PPA₂SnI₄和PEA₂SnI₄薄膜的空间电荷限制电流(SCLC)表征。(D) 15% PEAI和(E)15% PPAI薄膜的电化学阻抗（EIS）表征，插图为EIS拟合时采用的等效电路图，其中R_s为薄膜表面的串联电阻，R为钙钛矿薄膜的体电阻。(F) 不同偏压下EIS表征中钙钛矿薄膜的体电阻R的拟合结果。

图五. PPA掺杂FASnI₃薄膜的稳定性和自修复特性研究

掺杂和未掺杂15% PPAI的FASnI₃薄膜在不同环境下的稳定性表征：(A) 氮气环境，(B) 60%湿度的空气环境，(C) 100℃持续加热下。15% PPAI薄膜在不同放置条件下的自修复特性表征：(D) 加热-氮气循环，(E) 空气-氮气循环。(F) 不同有机大分子掺杂时FASnI3薄膜的自修复特性表征。(G) PPA掺杂FASnI₃钙钛矿结构自修复特性的可能原理。

图六. PPA掺杂FASnI₃薄膜的大面积电池器件

(A) 15% PPAI薄膜的低倍SEM图。基于15% PPAI薄膜的1 cm²大面积钙钛矿太阳能电池器件的(B)照片，(C)不同扫描方向的电流-电压曲线，(D)不同扫描速率的电流-电压曲线。

本文由西安交通大学吴朝新教授团队供稿。

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